发电型传感器

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1、第3章发电型传感器3.1压电型传感器3.2霍尔式传感器3.3热电偶传感器3.1压电型传感器压电型传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器或电势式传感器。它既能将机械能转换成电能，又能将电能转换成机械能。其工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。常见的压电材料有石英晶体、人工合成的多晶体陶瓷和有机高分子材料。近年来，压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用日益广泛。下一页返回3.1压电型传感器3.1.1压电型传感器工作原理压电效应在某些晶体切片（如石英晶体切片

2、）上，沿一定方向加上外力，晶体切片不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部也会发生极化现象，导致晶体表面积累电荷，形成电场，当外力除去后晶体表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为压电效应。如图3-1所示为压电效应示意图。若将压电材料置于电场之中，其几何尺寸也会发生变化，这种由于外电场作用，导致压电材料产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致收缩效应。上一页下一页返回3.1压电型传感器压电材料常见的压电材料有三类：石英，晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。1）石英晶体。石英晶体亦称为水晶，它是重要的压电材料，具有很多独

3、特的优点，是目前高精度压电式传感器中常用的压电材料。由于天然石英晶体产量有限，所以近年来广泛采用人造石英晶体。石英晶体外形及切片如图3-2所示。上一页下一页返回3.1压电型传感器2）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。它山无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域，在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理，极化处理之后，陶瓷材料内部存在很强的剩余极化强度。当压电

4、陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷具有压电效应。如图3-3所示为压电陶瓷的极化过程。上一页下一页返回3.1压电型传感器3）高分子压电材料高分子压电材料是一种新型材料，有聚偏二氟乙烯（PVF或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等。高分子压电材料的最大特点具有柔软性，它不易破碎，具有防水性，测量动态范围宽，频响范围大但其工作温度一般低于100℃，当温度升高时，其灵敏度将降低，同时机械强度不高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒。上一页下一页返回3.1压电型传感器3.1.2压电型传感器测量转

5、换电路压电元件的等效电路在压电晶片产生电荷的两个平面上装上金属电极，就构成了一个压电元件。当压电晶片受力时，在晶体的一个表面会聚集正电荷，而在另一个表面会聚集等量的负电荷，所以它可以被看做是一个电荷发生器，同时，它又相当于一个以压电材料为绝缘介质的电容器，其电容值为：上一页下一页返回3.1压电型传感器如图3-4（a）所示，压电元件可以等效为一个与电容相并联的电荷源。如图3-4（b）所示，压电元件也可以等效为一个与电容相串联的电压源。压电元件的端电压为：压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断产生，可以供给测量回

6、路以一定的电流，因此，压电式传感器适用于动态测量。上一页下一页返回3.1压电型传感器压电传感器的测量电路根据压电式传感器的转换原理及其等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷，为此，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成比例，通常将此种前置放大器称作阻抗变换器，它对整个测量系统电缆电容的变化非常敏感，尤其是连接电缆长度的变化更为明显；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例，这种放大器对电缆长度变化的影响极为迟钝，所以对其造成的影响可忽略不计。上一页下一页

7、返回3.1压电型传感器电压放大器如图3-6所示，（a）为压电传感器连接电压放大器的等效电路，（b）是简化后的等效电路。输入电压为当时，输出电压为：可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，从而引起放大器的输出电压也发生变化。上一页下一页返回3.1压电型传感器电荷放大器如图3-7是压电传感器连接电荷放大器的等效电路。电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器，它可以将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源输出，而且输出电压正比于输入电荷。因此，它也同样起着阻

8、抗变换的作用。使用电荷放大器最大的一个优点是传感器的灵敏度与连接电缆长度无关。电荷放大器的输出电压为：当A>>1时，输出电压为上一页下一页返回3.1压电型传感器由于引入了深度的电容负反馈，使放大器输出只与稳定的Cf有关，与电缆分布电容等无关，甚至可以忽略其影响。压电传感器的应用压电传感器主要用于脉动力、冲击力、振动等动态参数的测量。由于压电材料可以是石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等，它们的特性不